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1、2023年7月22日星期六先进制造过程技术培训先进制造过程技术培训课件课件第第6 6章章 先进制造过程技术先进制造过程技术6.1 先进制造工艺技术的内涵先进制造工艺技术的内涵 6.2 快速成形技术快速成形技术6.3 高能束加工技术高能束加工技术6.4 超精密加工技术超精密加工技术6.5 微纳制造微纳制造6.6 生物制造生物制造6.1 6.1 先进制造工艺技术的内涵先进制造工艺技术的内涵6.1.1 物体的成形方法物体的成形方法 6.1.2 先进制造工艺技术的定义与内容先进制造工艺技术的定义与内容 6.1.1 6.1.1 物体的成形方法物体的成形方法制造工艺技术制造工艺技术(制造过程技术制造过程技

2、术)-)-改变原材料的形状、尺寸、性能或相对位改变原材料的形状、尺寸、性能或相对位置，使之成为成品或半成品的方法和技术。其置，使之成为成品或半成品的方法和技术。其实质是与物料处理过程相关的各项技术。实质是与物料处理过程相关的各项技术。6.1.1 6.1.1 物体的成形方法物体的成形方法物质准备部门物质准备部门粗加工粗加工机械制造部门机械制造部门精加工精加工装配与包装装配与包装改性与处理改性与处理搬运与储存，检测与控制搬运与储存，检测与控制切削加工与特种加工切削加工与特种加工焊接、铆接、粘接焊接、铆接、粘接切割、下料切割、下料锻造、冲压锻造、冲压铸造铸造热处理热处理大锻件钢坯大锻件钢坯装配装配包

3、装（成品）包装（成品）表面处理表面处理发发运运金属炉金属炉料料棒、板、管、棒、板、管、线、型材线、型材熔化熔化粉末冶金（压制、烧结）粉末冶金（压制、烧结）注射、压塑、挤塑、吹塑注射、压塑、挤塑、吹塑敞开模、对模成形、缠绕等敞开模、对模成形、缠绕等原材料、能源原材料、能源金属结构材料金属结构材料非金属结构材料非金属结构材料冶金粉末，工程陶瓷冶金粉末，工程陶瓷工程塑料、橡胶工程塑料、橡胶复合材料复合材料图图6-1 机械制造过程的组成机械制造过程的组成6.1.1 6.1.1 物体的成形方法物体的成形方法 制造工艺主要是研究物体成形方法。按构制造工艺主要是研究物体成形方法。按构成物体的成形原理分，有下

4、列四种方法：成物体的成形原理分，有下列四种方法：受迫成形（受迫成形（Compelled Forming）去除成形（去除成形（Dislodge Forming）添加成形（添加成形（Adding Forming）生成成形（生成成形（Growth FormingGrowth Forming）6.1.2 6.1.2 先进制造工艺技术的定义与内先进制造工艺技术的定义与内容容 1 1、先进制造工艺技术、先进制造工艺技术 是研究与物料处理过程和物料直接相关的各项技是研究与物料处理过程和物料直接相关的各项技术，要求实现术，要求实现优质、高效、低耗、清洁和灵活优质、高效、低耗、清洁和灵活。2、先进制造工艺技术的

5、特点先进制造工艺技术的特点 优质优质 高效高效 低耗低耗 清洁清洁 灵活灵活6.1.2 6.1.2 先进制造工艺技术的定义与先进制造工艺技术的定义与内容内容 基于成形方式的工艺分类基于成形方式的工艺分类基于加工精度的基于加工精度的基于加工设备的基于加工设备的基于加工尺寸基于加工尺寸基于加工材料基于加工材料基于加工能量基于加工能量基于成形方式的通用制造工艺分类去除成形工艺堆积成形工艺受迫成形工艺生长成形工艺其他成形工艺基于加工精度的通用制造工艺分类低级精度加工工艺中级精度加工工艺高级精度加工工艺基于加工设备的通用制造工艺分类切削加工工艺特种加工工艺压力加工工艺铸造工艺焊接工艺其他基于加工能量的通

6、用制造工艺分类机械加工工艺电加工工艺热加工工艺化学加工工艺复合加工工艺其他工艺6.2 6.2 快速成形制造（快速成形制造（RPMRPM）6.2.1 快速成形制造的发展快速成形制造的发展 6.2.2 RPM的原理与特点的原理与特点 6.2.3 几种常用的几种常用的RPM工艺工艺 6.2.4 RPM的发展趋势的发展趋势 6.2.5 RPM的应用的应用 6.2.1 6.2.1 快速成形制造的发展快速成形制造的发展 快速成形制造快速成形制造又称为又称为快速原型制造快速原型制造。20世纪世纪80年代后期，快速成形制造（年代后期，快速成形制造（RPM）技术在）技术在美国首先产生并商品化。美国首先产生并商品

7、化。RPM以以离散堆积离散堆积原理为基础和特征，即它首先将零原理为基础和特征，即它首先将零件的电子模型软件离散化，成为件的电子模型软件离散化，成为“层状层状”的离散面、的离散面、离散线和离散点，而后采用多种手段，将这些离散离散线和离散点，而后采用多种手段，将这些离散的面、线段和点按层堆积形成零件的整体形状。的面、线段和点按层堆积形成零件的整体形状。RPM工艺过程无需专用工具，工艺规划步骤简单，工艺过程无需专用工具，工艺规划步骤简单，所以制造速度比传统方法简单得多。所以制造速度比传统方法简单得多。6.2.2 RPM技术的原理与特技术的原理与特点点1.1.RPMRPM技术的原理技术的原理2.2.2

8、.RPM2.RPM技术的内技术的内涵涵3.3.3.RPM3.RPM技术的特技术的特点点6.2.2 RPM技术的原理与特点技术的原理与特点RPMRPM的成形流程的成形流程图图成形机中堆积成形成形机中堆积成形CAD模型模型Z向离散化（分层）向离散化（分层）层面信息处理层面信息处理层面加工与粘接层面加工与粘接层层堆积层层堆积后处理后处理分解过程分解过程组合过程组合过程计算机中信息处理计算机中信息处理图6-1 RPM的离散/堆积成形流程6.2.2 RPM6.2.2 RPM技术的原理与特点技术的原理与特点xyzxy RPM RPM技术的内涵主要表现在：技术的内涵主要表现在：不使用一般意义上的模具或刀具，

9、而是利用光、热、不使用一般意义上的模具或刀具，而是利用光、热、电等物理手段实现材料的转移与堆积；电等物理手段实现材料的转移与堆积；原型是通过堆积不断增大，其力学性能不但取决于原型是通过堆积不断增大，其力学性能不但取决于成型材料本身，而且与成形中所施加的能量大小及施成型材料本身，而且与成形中所施加的能量大小及施加方式有密切关系；加方式有密切关系；在成形工艺控制方面，需要对多个坐标进行精确的在成形工艺控制方面，需要对多个坐标进行精确的动态控制。动态控制。6.2.2 RPM6.2.2 RPM技术的原理与特点技术的原理与特点6.2.2 RPM技术的原理与特点技术的原理与特点它表明它表明RPMRPM技术

10、无需专用的模腔或夹具，零技术无需专用的模腔或夹具，零件的形状和结构也相应不受任何约束。件的形状和结构也相应不受任何约束。RPMRPM工艺是用工艺是用逐层变化的截面来制造三维形体，在制造每一层片时逐层变化的截面来制造三维形体，在制造每一层片时都和前一层自动实现联接，不需要专用夹具或工具，都和前一层自动实现联接，不需要专用夹具或工具，使制造成本完全与批量无关，既增加了成形工艺的柔使制造成本完全与批量无关，既增加了成形工艺的柔性，又节省了制造工装和专用工具的成本。性，又节省了制造工装和专用工具的成本。6.2.2 RPM技术的原理与特点技术的原理与特点6.2.2 RPM技术的原理与特点技术的原理与特点

11、6.2.2 RPM技术的原理与特点技术的原理与特点6.2.2 RPM技术的原理与特点技术的原理与特点6.2.2 RPM技术的原理与特点技术的原理与特点6.2.2 RPM技术的原理与特点技术的原理与特点 快速成形制造系统是与CAD集成的RPMS，属于CIMS的目标产品的范畴。具有以下特点：6.2.2 RPM技术的原理与特点技术的原理与特点6.2.3 6.2.3 几种常用的几种常用的RPM方法方法 1.立体光刻（立体光刻（SLA）2.分层实体制造（分层实体制造（LOM）3.选择性激光烧结（选择性激光烧结（SLS）4.熔融沉积成形（熔融沉积成形（FDM）Stereo Lithography Appa

12、ratusStereo Lithography Apparatus，SLASLA 基于液态光敏树脂的光聚合原理工作的。这种液态材料在一定波长和强度的紫外光的照射下能迅速发生光聚合反应，分子量急剧增大，材料也就从液态转变成固态。6.2.3 几种常用的几种常用的RPM方法方法 6.2.3 几种常用的几种常用的RPM方法方法 6.2.3 几种常用的几种常用的RPM方法方法 Laminated Object ManufacturingLaminated Object Manufacturing，LOMLOM 在薄片材料涂覆上一层热熔胶。加工时，热压辊热压片材，使之与下面已成形的工件粘结；用CO2激光器

13、在刚粘接的新层上切割出零件截面轮廓和工件外框；激光切割完成后，工作台带动已成形的工件下降，与带状片材分离；供料机构转动收料轴和供料轴，带动料带移动，使新层移到加工区域；工作台上升到加工平面；热压辊热压，工件的层数增加一层，高度增加一个料厚；再在新层上切割截面轮廓。如此反复直至零件的所有截面粘接、切割完，得到分层制造的实体零件。6.2.3 几种常用的几种常用的RPM方法方法 6.2.3 几种常用的几种常用的RPM方法方法 Selective Laser SinteringSelective Laser Sintering，SLSSLS 利用粉末状材料成形的。将材料粉末铺洒在已成形零件的上表面，并

14、刮平；用高强度的CO2激光器在刚铺的新层上扫描出零件截面材料粉末在高强度的激光照射下被烧结在一起，得到零件的截面，并与下面已成形的部分连接；当一层截面烧结完后，铺上新的一层材料粉末，选择地烧结下层截面。6.2.3 几种常用的几种常用的RPM方法方法 6.2.3 几种常用的几种常用的RPM方法方法 6.2.3 几种常用的几种常用的RPM方法方法 Fused Deposition ModelingFused Deposition Modeling，FDMFDM所用材料一般是热塑性材料，如蜡、ABS、尼龙等。材料在喷头内被加热熔化。喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，同时将熔化的材料挤出材料迅速凝固，

15、并与周围的材料凝结。6.2.3 几种常用的几种常用的RPM方法方法 6.2.3 几种常用的几种常用的RPM方法方法 6.2.3 几种常用的几种常用的RPM方法方法 光固化成型光固化成型 熔融沉积成型熔融沉积成型 选择性激光烧结选择性激光烧结 分层实体制造分层实体制造 优点优点 成形速度极快，成形精度、表面质量高；适合做小件及精细件。(1)成形材料种类较多，成形样件强度好，能直接制作ABS塑料；(2)尺寸精度较高，表面质量较好，易于装配；(3)材料利用率高；(4)操作环境干净、安全可在办公室环境下进行(1)有直接金属型的概念，可直接得到塑料、蜡或金属件；(2)材料利用率高；造型速度较快。(1)成

16、形精度较高；(2)只须对轮廓线进行切割，制作效率高，适合做大件及实体件；(3)制成的样件有类似木质制品的硬度，可进行一定的切削加工。缺点缺点成形后要进一步固化处理；光敏树脂固化后较脆，易断裂，可加工性不好；工作温度不能超过100，成形件易吸湿膨胀，抗腐蚀能力不强。(1)成形时间较长；(2)做小件和精细件时精度不如SLA。(1)成形件强度和表面质量较差，精度低。(2)在后处理中难于保证制件尺寸精度，后处理工艺复杂，样件变型大，无法装配。(1)不适宜做薄壁原型；(2)表面比较粗糙，工件表面有明显的台阶纹，成型后要进行打磨；(3)易吸湿膨胀，成形后要尽快表面防潮处理；(4)工件强度差，缺少弹性。设备

17、购置费用设备购置费用高昂低廉高昂中等维护和日常使维护和日常使用费用用费用激光器有损耗，光敏树脂价格昂贵，运行费用很高。无激光器损耗，材料的利用率高，原材料便宜，运行费用极低。激光器有损耗，材料利用率高，原材料便宜，运行费用居中。激光器有损耗，材料利用率很低，运行费用较高。发展趋势发展趋势稳步发展飞速发展稳步发展渐趋淘汰应用领域应用领域复杂、高精度、艺术用途的精细件塑料件外形和机构设计铸造件设计实心体大件适合行业适合行业快速成形服务中心科研院校、生产企业铸造行业铸造行业 6.2.4 RPM 6.2.4 RPM技术的发展趋势技术的发展趋势 开发概念模型机或台式机开发概念模型机或台式机 开发新的成型

18、能源开发新的成型能源 开发性能优越的成型材料开发性能优越的成型材料 研究新的成型方法与工艺研究新的成型方法与工艺 集成化集成化 6.2.5 RPM技术的应用技术的应用 快速模具制造快速模具制造 快速制造金属零件快速制造金属零件 在医学中用于器官模型制作在医学中用于器官模型制作 与反求工程相结合形成快速设计制造闭环系统与反求工程相结合形成快速设计制造闭环系统 快速模具（RT）制造主要用于制造铸造模具和塑料模具。1 1）用RPM技术制造零件原型，与传统的制模工艺相结合的制模方法。2 2）是利用RPM技术将模具直接制造成形，它不需制作原型样件，是一种与传统的制模工艺完全不同的方法。硅橡胶模具硅橡胶模

19、具 6.2.5 RPM技术的应用技术的应用 RPM RPM技术与铸造技术相结合是由技术与铸造技术相结合是由RPMRPM原型转化原型转化为金属零件的最佳途径。其方法有通过为金属零件的最佳途径。其方法有通过RPMRPM原型原型翻制压型、直接复制铸模或烧失型铸造熔模，亦翻制压型、直接复制铸模或烧失型铸造熔模，亦可设计模型直接得到型壳、型芯。采用可设计模型直接得到型壳、型芯。采用RPMRPM原型原型得到烧失型铸造熔模是一种较快的精铸方法。得到烧失型铸造熔模是一种较快的精铸方法。6.2.5 RPM技术的应用技术的应用 该方法是将以数字成像技术为基础的该方法是将以数字成像技术为基础的CTCT（断层成（断层

20、成像）、像）、MRIMRI（核磁共振）等诊断方法与（核磁共振）等诊断方法与RPMRPM系统相结合，系统相结合，即把所获得的人体扫描的分层截面图像，经计算机三即把所获得的人体扫描的分层截面图像，经计算机三维重建后的数据提供给维重建后的数据提供给RPMRPM系统，得到人体局部或内系统，得到人体局部或内脏器官。这样就可以显示该部位病变情况和实体结构，脏器官。这样就可以显示该部位病变情况和实体结构，可用于临床辅助诊断和复杂手术方案的确定，或供教可用于临床辅助诊断和复杂手术方案的确定，或供教学使用。此外亦可利用学使用。此外亦可利用RPMRPM原型制作假肢。原型制作假肢。6.2.5 RPM技术的应用技术的

21、应用 6.2.5 RPM技术的应用技术的应用车辆零件开发与试制车辆零件开发与试制消费类产品开发与试制消费类产品开发与试制玩具产品开发与试制玩具产品开发与试制电子产品开发与试制电子产品开发与试制医疗产品研发和术前医疗产品研发和术前手术方案制定手术方案制定文物和工艺品文物和工艺品的复原与设计的复原与设计 6.2.5 RPM技术的应用技术的应用6.2 END6.3 6.3 高能束加工技术高能束加工技术6.3.1 激光加工技术激光加工技术6.3.2 电子束加工技术电子束加工技术6.3.3 离子束加工离子束加工6.3.4 高压水射流加工技术高压水射流加工技术 是一种经受激辐射产生的加强光。通过光是一种经

22、受激辐射产生的加强光。通过光学系统可将激光束聚焦成直径为几十微米到几微米学系统可将激光束聚焦成直径为几十微米到几微米的极小光斑，从而获得极高的能量密度。当激光照的极小光斑，从而获得极高的能量密度。当激光照射到工件表面，光斑区域的温度可达射到工件表面，光斑区域的温度可达1000010000以上，以上，使材料熔化甚至汽化，随着激光能量的不断吸收，使材料熔化甚至汽化，随着激光能量的不断吸收，材料凹坑内的金属蒸气迅速膨胀，压力突然增大，材料凹坑内的金属蒸气迅速膨胀，压力突然增大，并产生很强的冲击波，使被熔化的物质爆炸式地喷并产生很强的冲击波，使被熔化的物质爆炸式地喷溅来实现材料的去除。溅来实现材料的去

23、除。6.3.1 6.3.1 激光加工技术激光加工技术 几乎对所有材料都可加工。几乎对所有材料都可加工。加工效率高，可实现高速切割和打孔，也易于实现加工自动化和柔加工效率高，可实现高速切割和打孔，也易于实现加工自动化和柔性加工。性加工。加工作用时间短，除加工部位外、几乎不受热影响和不产生热变形。加工作用时间短，除加工部位外、几乎不受热影响和不产生热变形。非接触加工，工件无弹性变形，能加工易变形薄板和橡胶等工件。非接触加工，工件无弹性变形，能加工易变形薄板和橡胶等工件。易实现空间控制和时间控制，能进行微细的精密图形加工。易实现空间控制和时间控制，能进行微细的精密图形加工。不存在工具磨损和更换问题。

24、不存在工具磨损和更换问题。在大气中无能量损失，故加工系统的外围设备简单。在大气中无能量损失，故加工系统的外围设备简单。可通过空气、惰性气体或光学透明介质，故可对隔离室或真空室内可通过空气、惰性气体或光学透明介质，故可对隔离室或真空室内工件进行加工。工件进行加工。加工时不产生振动和机械噪声。加工时不产生振动和机械噪声。6.3.1 激光加工技术激光加工技术 主要用于改善金属制品的表面性能，它可主要用于改善金属制品的表面性能，它可以显著提高金属零件表面的以显著提高金属零件表面的硬度、强度、硬度、强度、耐磨性、耐蚀性和高温性能耐磨性、耐蚀性和高温性能等，从面大大等，从面大大提高产品的质量，延长产品的使

25、用寿命，提高产品的质量，延长产品的使用寿命，降低成本。降低成本。激光淬火激光淬火激光合金化激光合金化激光涂敷激光涂敷激光非晶化和微晶化激光非晶化和微晶化激光冲击硬化激光冲击硬化6.3.1 激光加工技术激光加工技术 可以将直径只有可以将直径只有0.1mm0.1mm的细金属丝焊接在一起；把的细金属丝焊接在一起；把引线精确地连到比针尖还小的电子元件上；将米粒大的半引线精确地连到比针尖还小的电子元件上；将米粒大的半导体芯片连接起来。随着激光功率的提高，激光焊接在飞导体芯片连接起来。随着激光功率的提高，激光焊接在飞机、汽车、轮船制造业这类真正大型企业中也开始发挥作机、汽车、轮船制造业这类真正大型企业中也

26、开始发挥作用。用。福特公司用激光焊接汽车底盘，焊接速度可以达福特公司用激光焊接汽车底盘，焊接速度可以达到到2lcm/s2lcm/s，将，将4 4块大钢板焊接完成整块底盘只需要块大钢板焊接完成整块底盘只需要1min1min，而，而且焊接质量明显优于传统点焊技术。且焊接质量明显优于传统点焊技术。6.3.1 激光加工技术激光加工技术 3)3)激光切割激光切割 6.3.1 激光加工技术激光加工技术 是利用经聚焦的高是利用经聚焦的高功率密度激光束照射工件，在超功率密度激光束照射工件，在超过一定的功率密度的前提下，光过一定的功率密度的前提下，光束能量以及活性气体辅助切割过束能量以及活性气体辅助切割过程附加

27、的化学反应热能全部被材程附加的化学反应热能全部被材料吸收，由此引起照射处的材料料吸收，由此引起照射处的材料温度急剧上升，到达沸点后，材温度急剧上升，到达沸点后，材料开始汽化，并形成孔洞。随着料开始汽化，并形成孔洞。随着光束与材料的相对移动，最终使光束与材料的相对移动，最终使材料形成切缝，切缝处熔渣被具材料形成切缝，切缝处熔渣被具有一定压力的辅助气体吹掉。有一定压力的辅助气体吹掉。图6-6 激光切割原理1辅助气体 2激光束3工件 4熔渣6.3.1 激光加工技术激光加工技术：它几乎可以在任何材料上打孔，软的如婴儿奶瓶盖上的它几乎可以在任何材料上打孔，软的如婴儿奶瓶盖上的胶嘴，硬的如天然钻石；胶嘴，

28、硬的如天然钻石；采用激光打孔可以比普通工艺节省许多工序；采用激光打孔可以比普通工艺节省许多工序；激光打孔能加工极微细和特别深的孔，深度与孔径的比激光打孔能加工极微细和特别深的孔，深度与孔径的比值可高达值可高达5050以上；以上；利用不同形状的光斑还可以打出特殊形状的孔来。利用不同形状的光斑还可以打出特殊形状的孔来。激光打孔由于其打微细孔的优越性能，在印刷线路板的激光打孔由于其打微细孔的优越性能，在印刷线路板的制作中也得到了广泛的应用。制作中也得到了广泛的应用。是被加工孔的精度和光洁度不够理想。6.3.1 激光加工技术激光加工技术 是在产品的表面或外包装上打上各种标识性文字、图案及数字等。激光可

29、以在各种质地、各种形状的产品上打上标记，特别是在微小物件上打标。许多集成电路芯片上都印有公司商标和有关数据，芯片的标记区域一般都只有几毫米到十几个毫米的大小，以往用油墨打标系统，存在着标志质量不高或不能永久保持等问题，改用激光打标后，标记清楚且不易脱落。6.3.1 激光加工技术激光加工技术 半导体泵浦激光打标机 该机型采用阵列晶体作为发光源该机型采用阵列晶体作为发光源6.3.1 激光加工技术激光加工技术 激光打标机 6.3.1 激光加工技术激光加工技术 雕刻是一门古老的艺术，传统工艺雕刻是一门古老的艺术，传统工艺都是从外部刻起；激光却可以在不损伤都是从外部刻起；激光却可以在不损伤工件外表面的情

30、况下深人其内部进行操工件外表面的情况下深人其内部进行操作。作。19961996年年8 8月在美国丹佛举行的国际工月在美国丹佛举行的国际工程光学学会年会上，俄罗斯学者展示了程光学学会年会上，俄罗斯学者展示了一件高科技工艺品。它是一块比普通砖一件高科技工艺品。它是一块比普通砖稍厚的玻璃砖，里面雕刻着克里姆林官稍厚的玻璃砖，里面雕刻着克里姆林官内几座教堂式建筑，而砖表面则完整无内几座教堂式建筑，而砖表面则完整无缺，显示了激光雕刻的神气魅力。缺，显示了激光雕刻的神气魅力。6.3.1 激光加工技术激光加工技术 圆柱面雕刻机圆柱面雕刻机 6.3.1 激光加工技术激光加工技术 激光加工实例激光加工实例 6.

31、3.1 激光加工技术激光加工技术 激激光光加加工工实实例例 6.3.1 激光加工技术激光加工技术 6.3.2 6.3.2 电子束加工技术电子束加工技术 利用阴极发射电子，利用阴极发射电子，经加速、聚焦成电经加速、聚焦成电子束，直接射到放子束，直接射到放置于真空室中的工置于真空室中的工件上，按规定要求件上，按规定要求进行加工。进行加工。1 1工作台工作台 2 2加工室加工室 3 3电磁透镜电磁透镜 4 4阳极阳极 5 5栅极栅极 6 6灯丝灯丝 7 7电源电源 8 8电子束电子束 9 9偏转线圈偏转线圈 1010工件工件 1111电子束斑点电子束斑点排气排气21011电子束加工的两类方法：电子束

32、加工的两类方法：利用电子束热效应进行电子束加工，有热处理、区域利用电子束热效应进行电子束加工，有热处理、区域精炼、熔化、蒸发、穿孔、切槽、焊接等。精炼、熔化、蒸发、穿孔、切槽、焊接等。几乎不会引起表面温升，入射的电子与高分子材料的分几乎不会引起表面温升，入射的电子与高分子材料的分子碰撞时，会使它的分子链切断或重新聚合，从而使高子碰撞时，会使它的分子链切断或重新聚合，从而使高分子材料的化学性质和分子量产生变化分子材料的化学性质和分子量产生变化应用应用：电子束焊接、打孔、表面改性、固化电子束焊接、打孔、表面改性、固化6.3.2 6.3.2 电子束加工技术电子束加工技术 在真空条件下把在真空条件下把

33、氩、氪、氙氩、氪、氙等惰性气体通过离子源产生等惰性气体通过离子源产生离子束，经过加速、集速和离子束，经过加速、集速和聚焦后，投射到工件表面的聚焦后，投射到工件表面的加工部位，以达到加工处理加工部位，以达到加工处理的目的。的目的。离子带正电荷，其质量比电离子带正电荷，其质量比电子的质量大千万倍，故离子子的质量大千万倍，故离子束加速轰击工件表面，将比束加速轰击工件表面，将比电子束具有更大的能量。电子束具有更大的能量。6.3.3 6.3.3 离子束加工离子束加工图6-9 离子束加工设备原理1阴极 2阳极 3电离室 4灯丝5真空抽气口 6氩气入口 7电磁线圈8离子束流 9工件 10阴极 1)1)离子束

34、刻蚀离子束刻蚀/离子铣离子铣削削6.3.3 离子束加工离子束加工用能量为0.15keV的氩离子轰击工件，将其表面的原子逐个剥离(溅射效应)，这种工艺实质上是一种原于尺度的“切剥”加工。离子束刻蚀加工原理示意图离子束刻蚀加工原理示意图 1离子源 2吸极3离子束 4工件采用能量为0.15keV的氩离子，不过并非用其轰击工件，而是轰击某种材料制成的靶，离子将靶材原子击出，使其沉积在靶材附近的工件上，使工件表面镀上一层薄膜。2 2）离子束溅射沉积镀膜技）离子束溅射沉积镀膜技术术 6.3.3 离子束加工离子束加工离子束镀膜加工原理示意图离子束镀膜加工原理示意图1离子源 2吸极3离子束 4工件 5靶材 在

35、真空室中将离子源产生的离子引出，并在电场中加速，形成几十至几万电子伏能量的离子束，利用沉积原子和轰击离子之间一系列的物理化学作用，在常温下合成各种优质的薄膜。3 3）离子束辅助镀膜）离子束辅助镀膜6.3.3 离子束加工离子束加工 1离子源 2吸极 3离子束 4工件 5靶材 离子束辅助镀膜原理示意图离子束辅助镀膜原理示意图 将所添加的粒子在高真空中离子化，然后将其加速到几万至几兆电子伏特，直接轰击被加工材料，高能离子钻进被加工材料的表层，改变了工件表面层的化学成分，从而改变了工件表面层的机械性能。4 4）离子注入技术）离子注入技术6.3.3 离子束加工离子束加工离子束注入加工原理示意图离子束注入

36、加工原理示意图 1离子源 2吸极 3离子束 4工件 5靶材 是一种用水作为携带能量的载体，是一种用水作为携带能量的载体，用高速水射流对各类材料进行切割、穿孔和表层板料去除用高速水射流对各类材料进行切割、穿孔和表层板料去除的加工方法，其水喷射的的加工方法，其水喷射的流速要达到音速的流速要达到音速的2323倍倍。6.3.4 6.3.4 高压水射流加工技术高压水射流加工技术 图图6-11 水射流装置示意图水射流装置示意图1增压器增压器 2泵泵 3混合过滤器混合过滤器 4供水器供水器 5蓄能器蓄能器 6控制器控制器 7阀阀 8喷嘴喷嘴 9射流射流 10工件工件 11排水道排水道 12喷口至工件表面距离

37、喷口至工件表面距离 13液压装置液压装置数控高压水力切割数控高压水力切割机机 6.3.4 高压水射流加工技术高压水射流加工技术 系统配备6轴机器人及可供部件重复定位的工作台，可完成特殊3维切割及修边。6.3.4 高压水射流加工技术高压水射流加工技术 机器人水刀切割系机器人水刀切割系统统6.3 END6.3 END第第6章复习思考题章复习思考题(6.16.3)1 物体成形方法有哪几种？并举例说明。物体成形方法有哪几种？并举例说明。2 何谓先进制造工艺技术？其主要内容是什么？何谓先进制造工艺技术？其主要内容是什么？3 简述简述RPM的基本过程。的基本过程。4 RPM与传统成形方式的区别主要表现在哪

38、些方面？与传统成形方式的区别主要表现在哪些方面？5 RPM的特点是什么？的特点是什么？6 RPM的发展趋势的发展趋势是什么是什么？7 简述简述SLA法的工艺原理及特点。法的工艺原理及特点。8 简述简述LOM法的工艺原理及特点。法的工艺原理及特点。第第6章复习思考题章复习思考题(6.16.3)9.简述简述SLS法的工艺原理及特点。法的工艺原理及特点。10.简述简述FDM法的工艺原理及特点。法的工艺原理及特点。11.RPM技术在模具制造方面的应用中技术在模具制造方面的应用中 有哪些常用的工艺方法？有哪些常用的工艺方法？12.简述简述激光加工技术的原理和应用。激光加工技术的原理和应用。13.简述简述

39、电子束加工技术的原理和应用。电子束加工技术的原理和应用。14.简述简述离子束加工技术的原理和应用。离子束加工技术的原理和应用。15.简述简述水射流加工技术的原理和应用。水射流加工技术的原理和应用。6.4 6.4 超精密加工技术超精密加工技术 6.4.1 超精密加工技术的发展超精密加工技术的发展 6.4.2 超精密加工技术的原理及特点超精密加工技术的原理及特点通常按加工精度划分，可将机械加工分为通常按加工精度划分，可将机械加工分为 一般加工一般加工 精密加工精密加工 超精密加工超精密加工由于生产技术的不断发展，划分的界限是变化的，过去的精密加工对今由于生产技术的不断发展，划分的界限是变化的，过去

40、的精密加工对今天来说已经是普通加工，因此，其划分的界限是相对的，其具体数值是变天来说已经是普通加工，因此，其划分的界限是相对的，其具体数值是变化的。化的。6.4.1 超精密加工技术的发展超精密加工技术的发展1.1.超精密加工的范畴超精密加工的范畴 1900 1920 1940 1960 1980 2000加加工工精精密密/m1021011010-110-310-210-510-40.005m年份年份10m1 0 m10m5m1m1m0.1m0.1m0.05m0.01m0.005m0.001m精精超超密密加加工工工工加加密密精精工工加加普普通通测量仪器测量仪器（检测设备）（检测设备）（系统误差系

41、统误差和随机误差）和随机误差）超精密研磨机超精密研磨机（电子束扫描装置）（电子束扫描装置）超高精密磨床超高精密磨床超高精密研磨机超高精密研磨机车床、铣床车床、铣床游标卡尺游标卡尺精密车床精密车床磨床、研磨机磨床、研磨机机械比较仪机械比较仪测微仪测微仪千分尺千分尺电子、气动测微仪电子、气动测微仪光学比较仪光学比较仪精密坐标镗床精密坐标镗床坐标磨床坐标磨床精密磨床精密磨床精密研磨机精密研磨机光学透镜磨床光学透镜磨床精密金刚石磨床精密金刚石磨床光学磁尺光学磁尺电动比较仪电动比较仪电子比较仪（非接触式）电子比较仪（非接触式）激光测长仪激光测长仪光纤技术光纤技术圆度测量仪圆度测量仪表面测量仪表面测量仪光

42、学透镜精磨床光学透镜精磨床间歇转发器间歇转发器精密金刚石磨床精密金刚石磨床超精密磨床超精密磨床激光高精度测长仪激光高精度测长仪（多普勒多重干涉仪）（多普勒多重干涉仪）台阶测量仪台阶测量仪超精密研磨机超精密研磨机（电子束扫描装置）（电子束扫描装置）超高精密磨床超高精密磨床超高精密研磨机超高精密研磨机原子分子离子束加工原子分子离子束加工原子分子沉积加工原子分子沉积加工扫描电镜、透射电镜扫描电镜、透射电镜电子束衍射离子分析仪电子束衍射离子分析仪X射线测微分析仪射线测微分析仪俄歇分析仪、俄歇分析仪、ESCAR超晶格物质合成加超晶格物质合成加工工机床（加工设备）机床（加工设备）6.4.1 6.4.1 超

43、精密加工技术的发展超精密加工技术的发展 要更精确地定义加工精度，除加工误差本身外，还必要更精确地定义加工精度，除加工误差本身外，还必 须说明测定该误差的几何长度或形貌频率。须说明测定该误差的几何长度或形貌频率。1.1.超精密加工的范畴超精密加工的范畴 6.4.1 超精密加工技术的发展超精密加工技术的发展6.4.1 超精密加工技术的发展超精密加工技术的发展Langenbeck提出的定性分析微细加工时的曲线提出的定性分析微细加工时的曲线图6-13 加工误差与几何长度的关系 美国主要研究以发展国防尖端技术为主要目标。美国主要研究以发展国防尖端技术为主要目标。日本的研究以民品应用为主要对象。日本的研究

44、以民品应用为主要对象。我国的超精密加工技术在我国的超精密加工技术在7070年代末期有了长足进步，年代末期有了长足进步，8080年代中期出现了具有世界水平的超精密机床和部件。年代中期出现了具有世界水平的超精密机床和部件。R Ra a=0.0078m=0.0078m。在超精密加工的效率、精度可靠性，特在超精密加工的效率、精度可靠性，特别是规格和技术配套性方面与国外比还有相当大的差距。别是规格和技术配套性方面与国外比还有相当大的差距。2 2、超精密加工技术的国内外发展现状、超精密加工技术的国内外发展现状 6.4.1 超精密加工技术的发展超精密加工技术的发展3 3、超精密加工技术的发展趋、超精密加工技

45、术的发展趋势势6.4.1 超精密加工技术的发展超精密加工技术的发展3 3、超精密加工技术的发展趋、超精密加工技术的发展趋势势6.4.1 超精密加工技术的发展超精密加工技术的发展主要指金刚石刀具超精密车削主要指金刚石刀具超精密车削,主要用于加工：主要用于加工：软金属材料：铜、铝及其合金，以及等软金属材料：铜、铝及其合金，以及等非金属材料非金属材料：光学玻璃、大理石和碳素纤维板光学玻璃、大理石和碳素纤维板1 1、超精密切削加工、超精密切削加工6.4.2 超精密加工技术的原理及特点超精密加工技术的原理及特点 主要生产厂家主要生产厂家:美国的美国的莫尔精密莫尔精密机床公司机床公司普奈莫精密公司普奈莫精

46、密公司9090年代后，日本东芝机械年代后，日本东芝机械莫尔特种金刚石车床莫尔特种金刚石车床 莫尔立式金刚石回轮车床莫尔立式金刚石回轮车床 2 2、超精密磨削和磨料加、超精密磨削和磨料加工工6.4.2 超精密加工技术的原理及特点超精密加工技术的原理及特点（1 1）磨削技术）磨削技术 超精密磨削即是加工精度在超精密磨削即是加工精度在0.1m0.1m以下、表面粗糙度以下、表面粗糙度R Rm m在在0.025m0.025m以下的磨削方法。以下的磨削方法。6.4.2 超精密加工技术的原理及特点超精密加工技术的原理及特点 带磨削带磨削电解在线修整电解在线修整双端面精密磨双端面精密磨电泳磨削电泳磨削1 1）

47、带磨削技术）带磨削技术 随着砂带制作质量的迅速提高，砂带上砂粒随着砂带制作质量的迅速提高，砂带上砂粒的等高性和微刃性较好，并采用带有一定弹性的的等高性和微刃性较好，并采用带有一定弹性的接触轮材料，使砂带磨削具有接触轮材料，使砂带磨削具有磨削、研磨和抛光磨削、研磨和抛光的多重作用的多重作用，从而可以达到高精度和低表面粗糙，从而可以达到高精度和低表面粗糙度值。度值。6.4.2 超精密加工技术的原理及特点超精密加工技术的原理及特点 2 2）电解在线修整（）电解在线修整（ELIDELID）磨削技）磨削技术术6.4.2 超精密加工技术的原理及特点超精密加工技术的原理及特点 图图6-16 ELID磨削原理

48、磨削原理1电刷 2铁纤维结合剂的金刚石砂轮3冷却液 4电源 5工件阳极电解液 砂轮和工具电极之砂轮和工具电极之间浇注电解液并加以直间浇注电解液并加以直流脉冲电流，使作为阳流脉冲电流，使作为阳极的砂轮金属结合剂产极的砂轮金属结合剂产生阳极溶解效应而被逐生阳极溶解效应而被逐渐去除，使不受电解影渐去除，使不受电解影响的磨料颗粒凸出砂轮响的磨料颗粒凸出砂轮表面，从而实现对砂轮表面，从而实现对砂轮的修整，并在加工过程的修整，并在加工过程中始终保持砂轮的锋锐中始终保持砂轮的锋锐性。性。3 3）双端面精密磨削技术）双端面精密磨削技术 双端面精磨的磨削运动和作行星运动的双面研磨双端面精磨的磨削运动和作行星运动

49、的双面研磨一样，一样，工件既作公转又作自转工件既作公转又作自转，磨具的磨料粒度也很，磨具的磨料粒度也很细，在磨削过程中，微滑擦、微耕犁、微切削和材料细，在磨削过程中，微滑擦、微耕犁、微切削和材料微疲劳断裂同时起作用，磨痕交叉而且均匀，该磨削微疲劳断裂同时起作用，磨痕交叉而且均匀，该磨削方式属控制力磨削过程，有和精密研磨相同的加工精方式属控制力磨削过程，有和精密研磨相同的加工精度，相比研磨高得多的去除率，另外可获得很高的平度，相比研磨高得多的去除率，另外可获得很高的平面度和两平面的平行度，该技术目前取代金刚石车削面度和两平面的平行度，该技术目前取代金刚石车削成为磁盘基片等零件的主要超精加工方法。

50、成为磁盘基片等零件的主要超精加工方法。6.4.2 超精密加工技术的原理及特点超精密加工技术的原理及特点 4 4）电泳磨削技术）电泳磨削技术6.4.2 超精密加工技术的原理及特点超精密加工技术的原理及特点 4）电泳磨削技术6.4.2 超精密加工技术的原理及特点超精密加工技术的原理及特点 图图6-17 电泳磨削原理电泳磨削原理新的超精密及纳米级磨削技术新的超精密及纳米级磨削技术利用超细密粒的电泳特性，磨利用超细密粒的电泳特性，磨粒在电场力作用下向磨具表面运粒在电场力作用下向磨具表面运动，并在磨具表面沉积形成一起动，并在磨具表面沉积形成一起细磨粒吸附层，利用磨粒吸附层细磨粒吸附层，利用磨粒吸附层对工